原位电击穿实验平台的构建与实时观测

研究团队基于泽攸科技提供的原位双倾探针杆，在球差校正扫描透射电镜中构建了可控高电场加载系统。通过聚焦离子束在单晶金刚石中刻蚀沟槽并沉积Pt导电通路，精确限定击穿区域；随后利用该样品杆精准操控钨探针与金刚石表面接触，并施加0–20 V阶梯偏压，成功实现了电击穿过程的实时、原位观测。该平台不仅避免了机械压力对晶格的干扰，还实现了纳秒级电流响应与结构演变的同步捕捉，为揭示金刚石失效机制提供了关键实验基础。

图1 金刚石击穿实验的样品制备与原位实验流程

图2 (100)和(110)晶面金刚石衬底的原位击穿实验结果

（111）晶面优先失效的应力驱动机制

通过几何相位分析对击穿前后区域的应力分布进行定量解析，研究发现：在（111）取向金刚石中，平行于晶面的应力（σ_yy,Relative）首先引发晶面间距偏移，随后垂直方向应力（σ_xx,Relative）进一步破坏面内周期性，最终导致晶格崩塌并转变为非晶碳。泽攸科技原位双倾探针杆在此过程中确保了电场施加的稳定性与探针定位的纳米级精度，使得高分辨TEM图像能够清晰捕捉从晶格畸变到非晶化演化的全过程，首次从实验上证实了电-热耦合下（111）面的结构脆弱性源于各向异性应力演化。

图3 击穿前后探针的成分与结构表征

晶向依赖的热稳定性差异与非石墨化转变路径

对（100）、（110）和（111）三种晶面的对比实验表明，击穿后仅（111）区域显著劣化，而（100）和（110）面在更高场强下仍保持结构完整性。电子能量损失谱（EELS）显示，所有击穿产物的π*/σ强度比均低于1:3，证实金刚石*直接转变为非晶碳而非石墨。泽攸科技提供的高稳定性电学-力学耦合环境，使得研究团队能排除杂质与缺陷干扰，明确将失效行为归因于本征晶向效应，颠覆了传统认为高温下金刚石必然石墨化的认知。

图4 (111)晶面金刚石衬底的原位击穿实验结果

分子动力学模拟验证与热失控机制统一

结合实验结果，团队开展分子动力学（MD）模拟，发现（111）面在2400 K以上即发生层状剥离，而（110）和（100）面可耐受至3800 K。模拟揭示的各向异性热失稳路径与原位实验观测高度一致——瞬时焦耳热引发热失控，但电场诱导的局部升温与晶格取向共同决定了失效起始位置。该“实验-模拟”闭环验证不仅阐明了金刚石电击穿的本质是应力-热协同驱动的非晶化，也为高可靠性器件的晶向选择（如优先采用（110）取向）提供了理论依据。

图5 金刚石(100)、(110)和(111)暴露表面的热稳定性分子动力学模拟

泽攸科技作为中国本土的高端精密仪器公司，是原位电子显微镜表征解决方案的一流供应商，推出的PicoFemto系列的原位透射电子显微镜表征解决方案，陆续为国内外用户的重磅研究成果提供了技术支持。下图为该研究成果中用到的泽攸科技原位TEM产品：

JEOL双倾探针杆